一种OFDM系统中频域扩展的实现方法与流程

本发明属于移动通信系统技术领域，尤其涉及一种ofdm系统中频域扩展的实现方法。

背景技术：

在宽带无线通信系统的传输方案中，ofdm(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing)技术是一种典型的传输体制，它由于具有实现相对简单，频谱利用率高等特点已广泛应用于多种通信标准。在ofdm传输技术中，当cp(cyclicprefix)的长度不小于信道的最大时延，且ofdm符号fft(fastfouriertransform)窗的起始点确定在其保护间隔内，接收机对收到的采样信号进行fft转换得到

其中，xl[k]、yl[k]、hl[k]和zl[k]分别表示第l个符号的第k个子载波上的发射符号、接收符号、信道的频率响应和频域噪声。

ofdm系统中的频域扩展是指在不同子载波上传递相同的符号信息，在接收端采用最大比合并或者选择性合并将传递相同符号信息子载波的接收信号进行合并，从而提高ofdm系统中信息传输的可靠性。在ofdm系统中进行频域扩展已经应用于一些通信标准，例如，ieee802.15.4g，此外，在一些支持自适应编码调制的ofdm系统中，也可以考虑利用频域扩展技术来提高控制段信息的传输可靠性。

ofdm系统中的频域扩展在实现过程中主要需要考虑两个问题：一是在不同子载波上传递相同的符号信息时，如果不进行处理预处理，则会导致频域信号经过ifft之后得到的时域信号中出现很大的尖峰信号，恶化ofdm信号的峰均比(peaktoaveragepowerratio,papr)性能；另一个是接收端采用最大比合并(maximalratiocombining,mrc)对传输相同符号信息子载波的接收信号进行合并时，如何以较小的实现复杂度实现。

图1分别给出了无频域扩展、2倍频域扩展和4倍频域扩展情形时ofdm系统中子载波上传递符号信息的映射模型。为了分析问题的方便，ofdm符号中导频占用的子载波和虚拟子载波不予考虑，只考虑用于传输数据的子载波，且将用于传输数据的子载波编号为-nd/2,…,-1和1,…,nd/2。分析可知，若不进行预处理，直接在不同子载波上传输相同符号信息，则会导致系统的papr过高。

技术实现要素：

针对ofdm系统采用频域扩展时系统papr过高这一问题，这里提出一种通过相位旋转的方式来改善频域扩展情形下系统的papr性能。具体地，当ofdm系统采用2倍频域扩展时，则只在编号为1,…,nd/2的子载波上传输原始信息。在编号为-nd/2,…,-1的子载波上重复传输子载波编号1,…,nd/2上传输的信息，且对不同位置子载波按照一定规律进行相位旋转，打乱其重复结构，从而降低系统的papr，具体过程可以描述为

dk-nd/2-1＝dke^j2π(2k-1)/4,k＝1,…,nd/2(1)

当ofdm系统采用4倍频域扩展时，则只在编号为1,…,nd/4的子载波上传输原始信息。在编号为-nd/2,…,-nd/4-1，-nd/4,…,-1和nd/4+1,…,nd/2的子载波上重复传输子载波编号1,…,nd/4上传输的信息，且对这三段用于重复传送的子载波按照不同的规律进行相位旋转，其中第一段不同位置子载波按照式(1)所示规律进行相位旋转，第二段、第三段不同位置子载波分别按照式(2)和式(3)所示规律进行相位旋转，扰乱其重复结构，降低系统的papr。

dk-nd/4-1＝dke^j2π(3k-1)/4,k＝1,…,nd/4(2)

dk+nd/4＝dke^j2π(k-1)/4,k＝1,…,nd/4(3)

图2给出了ofdm系统采用4倍频域扩展时，分别采用不同的预处理方法时，ofdm系统的papr值。可以看出，采用频域扩展且未进行任何预处理，则会导致系统的papr值很高，会影响系统的功放效率。当对子载波进行随机交织和相位旋转的预处理会明显改善系统的papr性能，并且，系统的papr性能与未进行频域扩展时系统papr的性能相当，但是采用随机交织的方式需要大量存储交织的模式，而采用相位旋转只需要进行简单的映射即可，因此采用相位旋转方式的实现复杂度明显优于随机交织方式。

从频域来看，在ofdm系统中它的任一子载波可以等效为单输入单输出系统，其收发信关系可以表示为

yi＝hixi+zi(4)

其中，yi表示第i个子载波的频域接收信号，xi表示第i个子载波的频域发射信号，hi表示第i个子载波信道的频域响应，一般为复平坦衰落信道增益，zi为频域噪声；

当ofdm系统采用频域扩展时，在接收端需要通过采用最大比合并等方式来获得分集增益。为了分析问题的方便，假设已经对接收的频域信号进行了相位旋转，此时可以得到

yi,k＝hi,kxk+zi,k；i＝1,…m,k＝1,…,nd/m(5)

当采用最大比合并时，传统的实现方法通过式(6)来实现

可以看到，该方法在实现过程中需要用除法器才能实现，且合并之后再进行软判决的过程中没有携带信道信息，从而会影响系统的性能。

为了解决这一问题，这里提出一种实现复杂度低的最大比合并方法，且合并后的信号再进行软判决的过程中可以携带信道信息。令

其中，表示最大比合并后的频域接收信号，表示最大比合并后的信道响应。此时可得

在已知发射符号xk的条件下，接收符号的条件pdf为

此时联合信道信息可以得到第l位的llr或者软输出值定义为

如果所有的符号等可能出现(即p(xk)是一个常数)，那么式(11)可以近似为

其中，和定义为

进一步假设在一个编码块中σ²是常数，则式(12)可以进一步简化为

综上所述，本发明通过采用相位旋转和联合信道信息软解的方法解决了ofdm系统频域扩展实现过程中涉及的子载波分布和最大比合并问题，能够使系统获得最大的频率分集的同时不恶化系统的papr性能，且以较小的计算复杂度来实现。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种ofdm系统中频域扩展的实现方法，该方法能够显著提高ofdm系统接收机的灵敏度。本发明主要有以下两个贡献：一是针对ofdm采用频域扩展会恶化ofdm信号的峰均比的问题，提出一种简单、实用的相位旋转方法来保证频域扩展获得最大分集增益的同时，不恶化ofdm系统的papr性能；另一个是接收端采用最大比合并对传输相同符号信息子载波的接收信号进行合并时，采用联合信道信息软解的方式来实现，该方式能省略除法器，降低实现的复杂度，同时由于包含了信道信息，能够改善系统的接收机灵敏度。

附图说明

图1ofdm系统频域扩展时子载波上传递符号信息的映射模型；

图2频域扩展对ofdm信号papr的影响；

图3频域扩展发送端基于相位旋转的预处理实现框图；

图4频域扩展接收端采用最大比合并和联合信道信息进行软判决的实现框图；

图5频域扩展接收端采用最大比合并和传统软判决的实现框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

当ofdm系统中采用频域扩展时，首先发送端需要对发送的重复信息进行预处理，图3给出了系统采用4倍频域扩展时利用式(2-4)所示相位旋转进行预处理的实现框图。可以看到，由于式(2-4)所示相位旋转只是进行取反、实部与虚部互换、实部与虚部互换且取反等特殊的相位旋转操作，因此，其实现过程比较简单、方便。此外，还可以看到基于相位旋转的预处理过程与进行随机交织的预处理过程能够获得一致的papr性能，但是前者能够获得更大的分集增益，这是因为基于相位旋转的预处理过程相较于随机交织的预处理过程不会改变发送重复信息子载波间的位置分布，因而能够获得最大的分集增益。

当ofdm系统中采用频域扩展时，接收端需要对收到的重复信息采用合并算法获得分集增益，图4给出了系统采用4倍频域扩展时利用式(9)、(13)所示的最大比合并和联合信道信息软判决的实现框图，图5给出了系统采用4倍频域扩展时利用式(6)所示的最大比合并的实现框图。可以看到，图4所示的实现方案不需要采用除法器来实现均衡过程，从而降低了算法实现的复杂度，且由于在软判决过程中进一步考虑了信道的影响，因而还能够改善系统接收机的灵敏度。